DE102005060587A1

DE102005060587A1 - Differenzdruckventil

Info

Publication number: DE102005060587A1
Application number: DE200510060587
Authority: DE
Inventors: Werner Obkircher
Original assignee: SERTO JACOB GmbH
Current assignee: SERTO JACOB GmbH
Priority date: 2005-12-17
Filing date: 2005-12-17
Publication date: 2007-07-05
Also published as: WO2007068389A1

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Differenzdruckventil (10) kommt ein zwischen zwei Kammern (21a, 21b) verschieblicher Kolben zum Einsatz, der je nach Stellung des Kolbens (31) einen Übertrittsquerschnitt von einer Druckkammer (21a, 21b) zu einem weiteren Anschluss (44a, 44b) freigibt. Über den Übertrittsquerschnitt kann eine Druckdifferenz zwischen den Kammern (21a, 21b) abgebaut werden. Nach Abbau der Druckdifferenz bewegt sich der Kolben (31) selbsttätig in eine Neutralstellung zurück. Das Gehäuse des Differenzdruckventils (10) ist mit zwei symmetrischen Gehäuseteilen (12, 13) gebildet. Eine Führung des Kolbens (31) erfolgt über Führungsstifte (30a, 30b).

Description

Die Erfindung betrifft ein Differenzdruckventil zur Überwachung einer Druckdifferenz zweier gleicher oder unterschiedlicher Medien.
STAND DER TECHNIK
Differenzdruckventile der hier vorliegenden Art dienen als Sicherheitsventile oder Druckausgleichsventile im Rahmen einer Überwachung einer Druckdifferenz von zwei Drücken zweier unterschiedlicher oder gleicher Medien, insbesondere von Flüssigkeiten und/oder Gasen. Ein derartiges Differenzdruckventil öffnet eine Verbindung für den Fall, dass die überwachte Druckdifferenz einen Schwellwert überschreitet, wobei die Verbindung eine Druckminderung des größeren Drucks herbeiführt, bis die überwachte Druckdifferenz wieder unterhalb des Schwellwerts liegt.

DE 31 41 255 A1 offenbart eine komplexe Vorrichtung zur Begrenzung eines Differenzdrucks, bei der über zwei federbelastete Ventilkörper und einen gemeinsamen Verschlusskörper, insbesondere eine Kugel, eine unmittelbare Verbindung zwischen den Anschlüssen für die Medien mit den zu überwachenden Drücke geschaffen wird. Zwischen den beiden Anschlüssen wird so lange eine Verbindung geschaffen, die einen fluidischen Austausch ermöglicht, bis sich die Drücke an den beiden Anschlüssen ungefähr angeglichen haben, wobei hierbei ein Austausch der Fluide zwischen den Anschlüssen erfolgt. Mit dem Erreichen eines Druckausgleichs führt die Vorrichtung selbsttätig eine geschlossene Stellung wieder her.

Aus DE 100 53 609 C2 ist ein Differenzdrucksicherheitsventil bekannt mit zwei Ventilsitzen, die jeweils über eine Membran verschließbar sind, an der die beiden zu überwachenden Drücke wirken. Öffnet infolge einer zu großen Druckdifferenz der beiden Drücke eine der Membrane, erfolgt eine Druckminderung des größeren der beiden Drücke über eine von der Membran freigegebene Verbindung des zugeordneten Ventils zu einem weiteren Anschluss oder einer Ablassleitung.

DE 199 50 004 A1 offenbart eine gattungsfremde Vorrichtung zur dynamischen Überwachung von Druckdifferenzen in wenigstens zwei Druckleitungen, die keinen Einfluss auf die zu überwachenden Drücke nimmt. Vielmehr wird bei dieser Vorrichtung mit dem Überschreiten eines Schwellwerts der überwachten Druckdifferenz ein membrangeführter Kolben von einer Normalstellung in eine Speicherstellung gebracht, in welcher der Kolben auch dann verbleibt, wenn die Druckdifferenz betriebsbedingt wieder unter den Schwellwert absinkt. Hierdurch soll eine schnelle Detektion einer Druckdifferenzüberschreitung sowie darüber hinaus auch eine Speicherung einer erfassten Druckdifferenzüberschreitung ohne Einsatz elektrischer oder mechanischer Teile auf rein pneumatischem Weg auch dann möglich sein, wenn die Druckdifferenz nur kurzfristig auftritt.

Weitere membranbasierte Differenzdruckventile sind aus den Druckschriften EP 0 296 736 A1 , JP 2002 228029 A und JP 56024265 A bekannt.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Differenzdruckventil vorzuschlagen, welches sich durch

– eine gute Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien,
– ein reproduzierbares Betriebsverhalten über große Betriebsdauern,
– ein verbessertes Hystereseverhalten,
– einen "Druckausgleich" auch bei kleinen Druckdifferenzen,
– einfache Herstellungsmöglichkeiten,
– eine einfache Anpassbarkeit an unterschiedliche zu überwachende Druckdifferenzen und/oder Absolutdrücke

auszeichnet.

LÖSUNG

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich entsprechend den abhängigen Ansprüchen 2–17.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß erfolgt eine Überwachung eines ersten Drucks, der von einer Flüssigkeit oder einem Gas über einen ersten Anschluss bereitgestellt wird, sowie eines zweiten Drucks, der von einer Flüssigkeit oder einem Gas über einen zweiten Anschluss bereitgestellt wird.

Da die Erfindung erkannt hat, dass der Einsatz einer Membran in einem Differenzdruckventil insbesondere infolge

– einer Ermüdung des Materials der Membran über die Betriebsdauer mit einer Veränderung des elastischen Verhaltens,
– einer unzureichenden Beständigkeit bei Verwendung des Differenzdruckventils im Zusammenhang mit aggressiven Flüssigkeiten oder Gasen und/oder
– der Begrenzung der maximal wirkenden Drücke

nachteilig ist, findet erfindungsgemäß ein Kolben Einsatz, also ein starrer Körper, dessen Material nicht elastisch sein muss und dessen Material und Oberflächen gezielt an den Einsatzzweck angepasst werden können. Der Kolben besitzt eine erste Kolbenfläche, die mit dem ersten Druck beaufschlagt ist, sowie eine zweite Kolbenfläche, die gegenüberliegend zur ersten Kolbenfläche angeordnet ist und mit dem zweiten Druck beaufschlagt ist. Damit dient u. U. ein einziger Kolben als "Sensor" für die beiden zu überwachenden Drücke. Dies wird dadurch erzielt, dass der Kolben nach Maßgabe der Druckdifferenz des ersten Drucks und des zweiten Drucks in einer Ausnehmung oder Bohrung mit beliebigem, zum Querschnitt des Kolbens passendem Querschnitt (im Folgenden "Bohrung") beweglich ist zwischen mindestens einer offenen Betriebsstellung, in der eine Verbindung geschaffen ist, in der eine Veränderung der Druckdifferenz herbeiführbar ist, und einer geschlossenen Betriebsstellung, in der die Verbindung unterbrochen ist. In der offenen Betriebsstellung kann damit über die Verbindung eine Minderung des größeren der beiden Drücke erfolgen, womit eine Verringerung der überwachten Druckdifferenz einhergeht.

Bei der Verbindung kann es sich um eine Verbindung zu einer Entlüftung oder zu einem Flüssigkeits- oder Gasreservoir mit niedrigerem Druck handeln. Alternativ ist es ebenfalls denkbar, dass die Verbindung den ersten Anschluss mit dem zweiten Anschluss verbindet.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Differenzdruckventils ist oder sind der Kolben und/oder eine den Kolben aufnehmende Bohrung elektropoliert. Unter einem Elektropolieren wird im Zusammenhang dieser Erfindung ein abrasives Verfahren verstanden, bei dem von einer anodisch geschalteten Werkstückoberfläche unter Einwirkung eines werkstoffspezifischen Elektrolyts und einer Gleichstromquelle Werkstoff abgetragen wird. Der Abtrag kann hierbei belastungsfrei erfolgen und sich bevorzugt auf Mikro-Rauhigkeiten erstrecken. Es sind insbesondere Oberflächen erzielbar, die im Mikrometer-Bereich glatt sind, während Strukturen im Makrobereich erhalten bleiben können, aber an ihren Oberflächen unabhängig von ihrer Form geglättet oder verrundet werden. Je nach Behandlungszeit des Elektropolierens kann das abrasive Verfahren von dem Abtrag von Mikro-Rauhigkeiten auf den Abbau von Makro-Rauhigkeiten erstreckt werden. Kanten und Ecken können bei bevorzugten Ausgestaltungen des Elektropolierens stärker abgebaut werden, was eine Feinstentgratung im gesamten Oberflächenbereich bewirken kann. Zusätzlich tritt durch das Elektropolieren ein Verdichten der Oberfläche ein, wodurch Zwischenräume zwischen Spitzen von Oberflächenrauhigkeiten verringert werden, in denen sich Medium, Verunreinigungen ablagern können und die zu einem erhöhten Verschleiß führen könnten.

Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für ein feinfühliges Überwachen einer Druckdifferenz die Reibung des Kolbens in der den Kolben führenden Bohrung minimiert werden muss. Untersuchungen haben gezeigt, dass für eine elektropolierte Oberfläche die sich einstellende Reibung bis zu 90 % verringert werden kann. Andererseits kann auch eine Korrosionsbeständigkeit der reibenden Oberflächen durch das Elektropolieren günstig beeinflusst werden. Da die Korrosion eines Werkstoffs immer von der Oberfläche ausgeht und somit vom Zustand der Oberfläche abhängig ist, kommt der Größe der Oberfläche, insbesondere auch im Mikrobereich, eine besondere Bedeutung zu. Hinzu kommt, dass mit dem Elektropolieren der nicht rostenden Stähle ein Passivierungseffekt verbunden sein kann, da dem Werkstoff durch die anodische Schaltung besonders stark Sauerstoff angeboten wird.

Die für die Korrosionsbeständigkeit unumgängliche Chromoxidschicht an der Oberfläche kann sich so voll und dicht ausbilden.

Neben einem, beispielsweise metallisch-metallisch, ausgebildeten Festkörperkontakt zwischen Kolben und Bohrung kontaktiert der Kolben, beispielsweise zur Vermeidung einer Leckage für die geschlossene Betriebsstellung, u. U. weiterhin ein Dichtelement, welches aus einem elastischen Material wie Gummi ausgebildet sein kann. Auch für einen derartigen Kontakt hat sich herausgestellt, dass eine gute Oberfläche des Kolbens mit einer Verringerung der Mikro-Rauhigkeit die Dichtwirkung zwischen Dichtelement und Kolben verbessern kann bei gleichzeitiger Verringerung von Verschleiß des Dichtelements.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Beeinflussung der Kräfteverhältnisse an dem Kolben zusätzlich zu den an den Kolbenflächen wirkenden Drücken über ein Federelement. Ein derartiges Federelement kann als metallische Druck- oder Zugfeder, als Biegefeder oder als Torsionsfeder ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist der Einsatz eines elastischen Elastomerkörpers zur Bildung des Federelements möglich. Der Einsatz eines Federelementes bedingt folgende alternative oder kumulative Vorteile und technische Wirkungen:

– Über ein derartiges Federelement kann auf einfache Weise konstruktiv eine Ansprechschwelle des Differenzdruckventils, u. U. auch bei guter Wiederholgenauigkeit über eine große Lebensdauer, vorgegeben werden.
– Darüber hinaus kann das Differenzdruckventil unter Austausch eines Federelements an unterschiedliche Einsatzverhältnisse, die absoluten, im Betrieb wirkenden Drücke und die zu überwachende Druckdifferenz bzw. einen Schwellwert der Druckdifferenz angepasst werden.
– Vorzugsweise kann das Federelement die Kräfte beeinflussen für gleiche oder unterschiedliche Kolbenflächen, beispielsweise eine infolge des vorliegenden konstruktiven Bauraums kleinere Kolbenfläche zusätzlich unterstützen.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende Federelemente vorgesehen. Über derartige Federelemente kann eine Neutralstellung des Kolbens vorgegeben werden.

Für ein weiteres erfindungsgemäßes Differenzdruckventil ist zumindest eine Einstellvorrichtung zur Verstellung eines Federfußpunkts eines Federelements vorgesehen. Über eine derartige Einstellvorrichtung kann beispielsweise eine Feinjustage der Neutralstellung des Kolbens erfolgen. Andererseits ist über eine Verstellung des Federfußpunkts eine Anpassung des Differenzdruckventils an

– unterschiedliche Betriebsbedingungen oder Einsatzfälle,
– die absolut wirkenden Drücke und
– die zu überwachende und detektierende Druckdifferenz

möglich.

Um einen unkontrollierten Übertritt oder eine unerwünschte Leckage zwischen dem ersten und/oder zweiten Anschluss und dem weiteren Anschluss zu vermeiden oder zu verringern, ist zwischen die vorgenannten Anschlüsse ein Dichtelement zwischengeschaltet, mittels dessen in der mindestens einen schließenden Betriebsstellung des Kolbens die Verbindung unterbrochen wird.

Vorzugsweise ist das Dichtelement ein X-Dichtring. Diese Ausgestaltung der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein X-Dichtring infolge der radial innenliegenden beiden Dichtlippen eine gute Abdichtung gegenüber dem Kolben gewährleistet und andererseits über die radial außenliegenden "Dichtlippen" auch eine gute Abdichtung gegenüber einem Gehäuse des Differenzdruckventils gewährleistet. Untersuchungen diesbezüglich haben gezeigt, dass mit einem X-Dichtring mit einer verringerten Anpresskraft ungefähr dieselbe Dichtwirkung erzielt werden kann wie mit einem vergleichbaren O-Ring. Infolge der verringerten Anpassung für den Einsatz eines X-Dichtrings können die Reibungseffekte verringert werden. Andererseits hat sich gezeigt, dass sich für den Einsatz eines X-Dichtrings zwischen den beiden radial innenliegenden Dichtlippen ein in Umfangsrichtung umlaufender Hohlraum ergeben kann, der beispielsweise für die Anordnung eines Schmierpolsters für eine Dauerschmierung eingesetzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich können sich u. U. in einem derartigen Hohlraum Partikel oder Verunreinigungen ablagern, ohne dass diese aus dem X-Dichtring austreten können und zur Beeinträchtigung des Betriebs des Differenzdruckventils führen können. Von Vorteil kann weiterhin sein, dass für einen X-Ring die im Kontaktbereich der Dichtlippen an dem Kolben wirkenden Radien kleiner sein können als für einen vergleichbaren O-Ring. Für den Fall, dass große Drücke an dem Differenzdruckventil wirken können, kann ein X-Dichtring mit zusätzlichem Stützring Einsatz finden.

Besondere Probleme kann bei einem Differenzdruckventil das Auftreten von Stick-Slip-Effekten verursachen, da diese zu einer unerwünschten Hysterese des Bewegungsverhaltens des Kolbens in der Bohrung und gegenüber einem etwaigen Dichtelement führen können, die dazu führen kann, dass ein Öffnen und Schließen der Verbindung mit einer Abweichung von dem vorgegebenen Schwellwert für die zu überwachende Druckdifferenz führen kann. Die Neigung zu derartigen Stick-Slip-Phänomenen kann durch das Elektropolieren von Kolben und/oder Bohrung und/oder durch Einsatz eines X-Dichtrings verringert werden.

Für eine Weiterbildung des Differenzdruckventils ist mindestens ein stirnseitig auf den Kolben wirkendes Führungselement vorgesehen. Hierbei kann das Führungselement auf die Stirnseite oder eine der Stirnseite benachbarte Mantelfläche des Kolbens einwirken. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit mindestens einer stirnseitigen Führung, insbesondere für Kolben mit einer verhältnismäßig großen Längserstreckung, eine besonders effektive Führung, beispielsweise gegenüber einem Verkippen um eine Kippachse, die quer zur Längsachse des Kolbens orientiert ist, möglich ist, da der "Hebelarm" des Führungselements maximal ist. Andererseits bewirkt die stirnseitige Anordnung des Führungselements, dass kleine Toleranzen zwischen Führungselement und Kolben mit zunehmender Entfernung von der Stirnseite in Richtung der Mitte des Kolbens, wo u. U. die Dichtringe auf den Kolben einwirken, zu noch kleineren Verlagerungen des Kolbens führen können. Eine derart verbesserte Führung hat die folgenden alternativen oder kumulativen Vorteile zur Folge:

– Infolge der verbesserten Führung kann ein Verschleiß zwischen Kolben, Bohrung und/oder Dichtelement verringert werden.
– Infolge der verbesserten Führung kann die Zentrizität des Kolbens in dem Dichtelement innerhalb verringerter Grenzen vorgegeben werden. Dies bedeutet, dass Kraftspitzen in der Anpresskraft zwischen Dichtelement und Kolben in einem Umfangsbereichen des Dichtelements verringert werden können, wodurch die Lebensdauer des Dichtelements vergrößert werden kann und die Reibung und Stick-Slip-Effekte zwischen Kolben und Dichtelement verringert werden. Andererseits werden infolge der verbesserten Führung auch Verringerungen der Kontaktkraft zwischen Dichtelement und Kolben infolge von Verlagerungen des Kolbens in gegenüberliegenden Umfangsbereichen verringert. Insgesamt schwankt damit infolge der verbesserten Führung die sich über den Umfang des Dichtelements verändernde Kontaktkraft zwischen Dichtelement und Kolben mit geringerer Amplitude. Damit kann aber die (mittlere, konstruktiv vorgegebene) Kontaktkraft zwischen Dichtelement und Kolben zur Gewährleistung der erforderlichen Dichtwirkung u. U. verringert werden, was wiederum eine verringerte Reibung und/oder Verringerung auftretender Stick-Slip-Effekte zur Folge hat.

Eine besonders einfache Ausgestaltung eines stirnseitig wirkenden Führungselements ergibt sich, wenn der Kolben zumindest eine stirnseitige Bohrung aufweist, in die unter Gewährleistung eines Verschiebe-Freiheitsgrads ein gehäusefester Führungsstift eingreift. Der Führungsstift führt damit vorzugsweise den Kolben in radialer Richtung und/oder gegenüber einem Verkippen infolge einer vergrößerten axialen Überdeckung zwischen Führungsstift und Kolben. Hierbei kann der Führungsstift kostengünstig gefertigt werden, beispielsweise separat von dem Gehäuse, und in das Gehäuse eingeschraubt oder eingepasst werden. Vorzugsweise besitzt der Führungsstift eine Abflachung oder Längsnut oder Bohrung, über die ein mit der Bewegung des Kolbens gegenüber dem Führungsstift in der Bohrung verdrängtes Medium abgeführt oder in eine benachbarte Kammer "entlüftet" werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Führungsstift neben der Führung als weitere Funktian mit der Bohrung einen Anschlag ausbilden, der die maximale Bewegung des Kolbens in eine Stellrichtung begrenzt, was im üblichen Betrieb für das Überschreiten des Schwellwerts der zu überwachenden Druckdifferenz oder für einen Leitungsbruch o. ä. zum Tragen kommen kann. Besonders einfach kann ein derartiger Anschlag gebildet werden, wenn der Anschlag mit dem Auftreffen der Stirnfläche des Führungsstifts auf den Grund der Bohrung gebildet ist oder mit einem Absatz des Führungsstifts, der zur Anlage an eine Stirnfläche der Bohrung kommt.

Eine weitere Funktion kann der Führungsstift in dem Fall erfüllen, dass das Federelement als Spiralfeder ausgebildet ist und sich der Führungsstift durch die Spiralfeder erstreckt. In diesem Fall dient der Führungsstift zusätzlich einer radialen Führung der Spiralfeder, wodurch insbesondere ein Ausknicken der Spiralfeder oder ein seitliches Auswandern der Spiralfeder vermieden ist.

Vorzugsweise erfolgt eine Unterbrechung der Verbindung in einer geschlossenen Betriebsstellung dadurch, dass das Dichtelement und/oder die Bohrung zwischen dem ersten Anschluss/zweiten Anschluss und dem weiteren Anschluss dicht an der Mantelfläche des Kolbens anliegen, während in der offenen Betriebsstellung ein radialer Spalt und damit ein Übertrittsquerschnitt zwischen Dichtelement und/oder Bohrung sowie Kolben gebildet ist. Ein derartiger, von der Bewegung des Kolbens abhängiger Spalt oder Übertrittsquerschnitt kann dadurch gebildet sein, dass der Kolben eine Querschnittsverringerung aufweist, die in der offenen Betriebsstellung wirksam wird. Beispielsweise besitzt der Kolben eine gegenüber der Bohrung und/oder dem Dichtelement verjüngte Öffnungsfläche, die insbesondere als geneigte Schrägfläche oder als in Umfangsrichtung umlaufende Konusfläche ausgebildet ist. Die vorgenannte Querschnittsverringerung des Kolbens kann einen beliebigen Verlauf in Längsrichtung aufweisen, insbesondere einen glatten Verlauf ohne radialen Sprung mit einem Knick oder ohne einen Knick im Längsschnitt, bei in Umfangsrichtung umlaufender Gestaltung oder lediglich für einen Teilumfang. Über die Öffnungsfläche bzw. den Übertrittsquerschnitt kann zusätzlich gegenüber einer sprunghaften Veränderung der radialen Erstreckung des Kolbens für ein Erreichen der offenen Betriebsstellung ein langsamer Druckaufbau und -abbau erzielt werden. Durch die Vorgabe des Verlaufs und der Neigung der Öffnungsfläche kann ein gewünschtes Öffnungsverhalten erzielt werden, für die sich ein von der Position des Kolbens gegenüber der Bohrung abhängiger Übertrittsquerschnitt von dem ersten oder zweiten Anschluss zu dem weiteren Anschluss ergeben kann.

Eine besonders einfache Fertigung des erfindungsgemäßen Differenzdruckventils ergibt sich, wenn das Gehäuse zweiteilig gebildet ist. Eine derartige zweiteilige Ausgestaltung bietet sich allein aus dem Grund an, dass auf diese Weise eine Montage (und ggf. Demontage) der in dem Gehäuse angeordneten Bauelemente, wie Kolben, Federelementen u. ä., auf besonders einfache Weise möglich ist. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse mit zwei symmetrisch zu einer Mittenachse ausgebildeten Gehäuseteilen gebildet, wodurch die Bauelementvielfalt verringert werden kann.

Um die Ausrichtung der vorgenannten Gehäuseteile zueinander exakt vorgeben zu können, können die Gehäuseteile unter Einsatz eines Zentrierelements miteinander montiert werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Passstift oder einen Passring, der in eine geeignete Bohrung oder die Bohrung zur Aufnahme des Kolbens integriert ist.

Vorzugsweise findet das Differenzdruckventil Einsatz für eine Aufbereitung eines Abgases einer Diesel-Brennkraftmaschine, für die, beispielsweise im Bereich eines Abgasturboladers, dem Abgas Wasserstoff zur Umwandlung von Russpartikeln zugeführt wird. In diesem Zusammenhang führt ein Kraftfahrzeug ein erstes Reservoir mit sich, welches mit Wasser gefüllt ist, sowie ein zweites Reservoir, welches mit Kalilauge gefüllt ist. Der erste Anschluss ist mit dem Reservoir für das Wasser verbunden, während der zweite Anschluss mit dem Reservoir für Kalilauge verbunden ist. Durch exakte Vorgabe der Druckdifferenz in den beiden Reservoirs, insbesondere unter einem Differenzdruck von 0,3 bar, kann einerseits das Druckverhältnis für eine Reaktion der in den Reservoirs angeordneten Medien verhältnismäßig exakt vorgegeben werden. Andererseits sind u. U. die beiden Medien in einem einzigen Behälter durch eine Membran oder dünne Trennwand getrennt. Eine überhöhte Druckdifferenz in den beiden Reservoirs des Behälters würde zu einer unangemessenen Beaufschlagung der Membran oder Trennwand führen, die erfindungsgemäß vermieden werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Differenzdruckventils.
2 zeigt eine stirnseitige Ansicht des Differenzdruckventils gemäß 1.
3 zeigt einen Schnitt III-III durch das Differenzdruckventil gemäß den 1 und 2 in einer geschlossenen Betriebsstellung.
4 zeigt ein Detail IV des Differenzdruckventils gemäß den 1 bis 3.
5 zeigt eine alternative Ausgestaltung für ein Detail IVA des Differenzdruckventils gemäß den 1 bis 3.
FIGURENBESCHREIBUNG
1, 2 zeigen ein Differenzdruckventil oder Differenzdrucksicherheitsventil 10, welches mit einem Gehäuse 11 mit zwei identischen Gehäuseteilen 12, 13 gebildet ist, in die jeweils ein Anschluss 14, 15 für ein unter Druck stehendes Medium, eine Flüssigkeit oder ein Gas, unter Abdichtung eingeschraubt ist. Die Gehäuseteile 12, 13 sind aus einem ungefähr quaderförmigen Rohling gefertigt und durch sich im Bereich der Längskanten in Längsrichtung des Differenzdruckventils 10 erstreckende durchgehende Bohrungen 16 über sich durch die Bohrungen 16 erstreckende, nicht dargestellte Schrauben miteinander verbunden.
Gemäß dem in 3 dargestellten Längsschnitt III-III ist das Differenzdruckventil 10 symmetrisch zu einer Mittenebene 17 ausgebildet. In den Figuren sind vergleichbare oder identische Bauelemente der Gehäuseteile 12, 13 mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei Bauelemente für Gehäuseteil 12 mit dem zusätzlichen Buchstaben "a" gekennzeichnet sind, während Bauelemente für Gehäuseteil 13 mit dem zusätzlichen Buchstaben "b" gekennzeichnet sind. Weiterhin sind in den Figuren die Bauelemente nicht für beide Gehäuseteile 12, 13, sondern lediglich für eines der Gehäuseteile mit einem Bezugszeichen versehen.
Die Gehäuseteile 12 besitzen ausgehend von der Mittenebene 17 eine in Richtung einer Längsachse 18-18 orientierte Sacklochbohrung 19 mit einem quer zur Längsachse 18-18 orientierten Grund 20 der Sacklochbohrung. In dem in 3 dargestellten Längsschnitt ist eine in der Sacklochbohrung 19 gebildete Kammer 21 des Gehäuseteils 12, 13 ungefähr U-förmig umgeben mit zwei parallelen Seitenschenkeln 23, 24 und einem Grundschenkel 25, wobei der dem Anschluss 14 zugewandte Seitenschenkel 24 eine vergrößerte Wandstärke besitzt. Im Bereich des Seitenschenkels 24 ist ein Innengewinde 26 vorgesehen, in das unter Verwendung geeigneter Abdichtmittel der Anschluss 14 mit einem entsprechenden Außengewinde eingeschraubt ist. Das Innengewinde 26 geht über eine konusförmigen Verjüngung 27 über in eine Bohrung 28 mit verringertem Durchmesser, die in die Kammer 21 radial einmündet.
Die innenliegende Fläche des Grundschenkels 25 bildet den Grund 20 der Bohrung 19. In den Grundschenkel 25 ist von der Seite der Mittenebene 17 eine Sacklochbohrung 29 eingebracht, in die unter Presspassung fest ein Führungselement in Form eines Führungsstifts 30 eingesetzt ist.
Wie in der Detaildarstellung gemäß 4 ersichtlich ist, ist in den miteinander fluchtenden Sacklochbohrungen 19a, b der Gehäuseteile 12, 13 ein Kolben 31 unter Ermöglichung von Bewegungen des Kolbens 31 in Richtung der Längsachse 18-18 eingesetzt. Der Kolben 31 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Längsachse 18-18 ausgebildet und in dem dargestellten Längsschnitt ungefähr H-förmig (liegend) ausgebildet ist mit zwei parallelen Seitenschenkeln 32, 33 und einem mittigen Verbindungsschenkel 34. In den Kolben 31 ist von beiden Stirnseiten 35 jeweils eine Sacklochbohrung 36 eingebracht. Die Sacklochbohrung 36 wird von den Endbereichen der Seitenschenkel 32, 33 sowie dem Verbindungsschenkel 34 begrenzt. In die Sacklochbohrungen 36a, 36b treten die Führungsstifte 30a, 30b unter konstruktiver Vorgabe einer radialen Toleranz oder eines geringen Spiels ein, wodurch der Kolben 31 in radialer Richtung geführt ist und u. U. auch gegenüber einem Verkippen gesichert sein kann. Eine maximale Bewegung des Kolbens 31 in eine Richtung der Längsachse 18-18 ist durch den Abstand einer Stirnseite 37 von dem von dem Verbindungsschenkel 34 gebildeten Grund 38 vorgegeben, so dass Stirnseite 37a, b und Grund 38a, b jeweils eine Begrenzung für die axiale Beweglichkeit des Kolbens in die beiden Stellrichtungen bilden. Zwischen die Stirnseite 35 des Kolbens 31 und den Grund 20 der Bohrung 19 des Gehäuseteils 12, 13 ist ein Federelement, hier eine Spiralfeder 39, zwischengeschaltet. Weiterhin ist eine Entlüftung zwischen Führungsstift 30 und Kolben 31, beispielsweise über eine Nut, Bohrung oder Abflachung des Führungsstifts 30, gegeben.
Die Sacklochbohrung 19 besitzt eine radiale, in Umfangsrichtung umlaufende Nut 40, in der ein Dichtelement, hier ein X-Dichtring 41, Aufnahme findet. Der X-Dichtring 41 ist in der skizzierten Neutralstellung radial zwischen dem Gehäuseteil 12 und einer Mantelfläche 42 des Kolbens 31 vorgespannt. Zwischen der Mittenebene 17 und der Nut 40a ist zwischen Kolben 31 und Gehäuseteil 12 ein radialer, in Umfangsrichtung umlaufender Spalt 43 ausgebildet, in den zwischen der Mittenebene 17 und der Nut 40a radial ein weiterer Anschluss 44a einmündet.
Der Kolben geht im Übergangsbereich von der Mantelfläche 42 zu der Stirnseite 35 über eine Querschnittsverringerung, die für das dargestellte Ausführungsbeispiel über eine Öffnungsfläche 45, hier eine Konusfläche, gebildet ist, in die Stirnseite 35a über. Im Bereich der Mittenebene 17 besitzt das Gehäuseteil 12 ausgehend von dem Spalt 43 eine umlaufende radiale Ausnehmung 46, in die passgenau ein als Zentrierring 47 ausgebildetes Zentrierelement eingesetzt ist, welches die beiden Gehäuseteile 12, 13 zueinander zentriert. Der Zentrierring 47 besitzt eine Innenbohrung mit einem Durchmesser, der ein Spiel zwischen Zentrierring 47 und der Mantelfläche 42 des Kolbens 31 gewährleistet.
Das Differenzdruckventil 10 funktioniert wie folgt:
Ist der über den Anschluss 14 in der Kammer 21a bereitgestellte Druck eines Mediums größer als der über den Anschluss 15 in der Kammer 21b bereitgestellte Druck eines gleichen oder anderen Mediums, ist die im Bereich der mit der Stirnfläche 35 gebildeten Kolbenfläche 48a erzeugte Kraft größer als die durch den kleineren Druck in der Kammer 21b auf die entsprechende Kolbenfläche 48b ausgeübte Kraft. Infolgedessen bewegt sich der Kolben 31 in dem Längsschnitt gemäß 3 nach rechts, womit der X-Dichtring 41a in Längsrichtung entlang der Mantelfläche 42 des Kolbens 31 gleitet, bis sich der X-Dichtring 41a radial außenliegend von der Öffnungsfläche 45a befindet. In einer derartigen geöffneten Betriebsstellung ist zwischen X-Dichtring 41 und der Öffnungsfläche 45 ein radialer Spalt oder ein Übertrittsquerschnitt gebildet, dessen Übertritts-Querschnittsfläche mit zunehmender Bewegung des Kolbens 31 nach rechts anwächst. Demgemäß ist eine Verbindung zwischen dem Anschluss 14 über den Übertrittsquerschnitt, den Spalt 43a zu dem weiteren Anschluss 44a gebildet. Mit einer Verringerung des Drucks in der Kammer 21a kann sich der Kolben selbsttätig wieder nach links bewegen, womit eine Unterbrechung des Übertrittsquerschnitts einhergeht. Während der gesamten zuvor geschilderten Bewegung befindet sich der X-Dichtring 41b im Bereich der Mantelfläche 42 des Kolbens 31, so dass im Bereich des Gehäuseteils 13 kein Übertrittsquerschnitt gebildet ist.
Entsprechendes gilt in Umkehrung, wenn der Druck in der Kammer 21b größer ist als in der Kammer 21a.
Für die dargestellte Ausführungsform sind zwei weitere Anschlüsse 44a, 44b vorgesehen, die besonders einfach in Form von radialen Bohrungen der Gehäuseteile 12, 13 hergestellt werden können. Ist eine separate Abfuhr der über die Anschlüsse 14, 15 zugeführten unterschiedlichen Medien über die Anschlüsse 44a, 44b gewünscht, kann im Bereich der Mittenebene 17 ein weiteres Dichtelement vorgesehen sein zwischen den Gehäuseteilen 12, 13 und dem Kolben 31. Ist lediglich ein weiterer Anschluss 44 gewünscht für eine gemeinsame Abfuhr der Medien von beiden Anschlüssen 14, 15, kann dieser Anschluss als Bohrung oder sich überdeckende Nuten der Stirnseiten der Gehäuseteile 12, 13 im Bereich der Mittenebene 17 gebildet sein.
Anstelle der Nuten 40a, 40b, die in die Gehäuseteile 12, 13 für die Ausführungsformen gemäß 1 bis 3 radial eingebracht sind, sind für die in 5 dargestellte Ausführungsform anstelle der Nuten 40a, b zur Aufnahme des X-Dichtrings 41a, 41b von der Mittenebene 17 in die Gehäuseteile 12, 13 eingebrachte Bohrung 49a, 49b vorgesehen, in die die weiteren Anschlüsse 44a, 44b radial einmünden. Der Zentrierring 47 ist in diesem Fall mit vergrößertem Außendurchmesser entsprechend dem Durchmesser der Bohrungen 49 ausgebildet, so dass dieser passgenaue Aufnahme in den Bohrungen 49 findet. Radial innenliegend ist zwischen der zentrischen Bohrung des Zentrierringes 47 und der Mantelfläche des Kolbens 31 ein Ringspalt 50 ausgebildet, über den die weiteren Anschlüsse 44a, 44b miteinander verbunden sind, wobei ein Übertritt von dem Ringspalt 50 zu den weiteren Anschlüssen 44a, 44b durch einen Zwischenraum oder Ringraum zwischen dem Zentrierring 47 und den X-Dichtelementen 41a, 41b ermöglicht ist. Für das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt der Zentrierring radial innenliegend von den weiteren Anschlüssen 44a, 44b radiale Bohrungen 51a, 51b, über die eine Art "Bypass" gebildet ist für einen Übertritt von dem Ringspalt 50 zu den weiteren Anschlüssen 44a, 44b. Die Stirnseiten 52a, 52b sind benachbart zu den X-Dichtringen 41a, 41b angeordnet unter Ausbildung eines geringfügigen axialen Spiels, so dass diese einseitig den zuvor erwähnten Zwischenraum oder Ringraum zumindest teilweise begrenzen und eine Begrenzung für Verschiebungen der X-Dichtringe zusätzlich zu dem Grund der Bohrungen 49a, 49b bilden, wozu die Stirnflächen 52a, 52b möglichst großflächig ausgebildet sind.
Durch die Behandlung des Kolbens mit einem Elektropolieren kann die Oberfläche des Kolbens bis auf eine Oberflächengüte N2 gemindert werden mit einer Mikro-Oberflächenrauhigkeit, die kleiner sein kann als 1,6 μm im Mittel. Für den Kolben kommt vorzugsweise ein Material 1.4404X2Cr Ni Mo 17 13 2 zum Einsatz, welches sich durch eine leichte Bearbeitbarkeit und ein gutes Elektropolieren auszeichnet. Für das Gehäuse findet vorzugsweise ein Werkstoff 1.4571 Einsatz. Der X-Dichtring ist beispielsweise aus den Materialien NBR oder für das Erfordernis einer Säurebeständigkeit (Kalisäure) Viton (eingetragene Marke eines Dritten) eingesetzt. Das erfindungsgemäße Differenzdruckventil arbeitet rein mechanisch ohne zusätzliche elektrische oder hydraulische Stellaggregate. Als Feder findet vorzugsweise eine Druckfeder mit einer Drahtstärke von 0,3 bis 0,5, insbesondere 0,4 mm Einsatz.
Das erfindungsgemäße Differenzdruckventil findet vorzugsweise Einsatz in einem Druckbereich von 2 bis 5 bar, wobei auch unter Einhaltung einer 3-fachen Sicherheit ein Einsatz bis zu Drücken von 180 bar möglich ist. Das erfindungsgemäße Differenzdruckventil ist gasdicht bis zu 10^–7 mit einer Leckagerate von 0,5 ppm. Der Kolben wird vorzugsweise in horizontaler Ausrichtung betrieben, so dass ein Eigengewicht des Kolbens die Kräfteverhältnisse an dem Kolben in Stellrichtung nicht beeinflussen kann.
Vorzugsweise betrifft die Erfindung eine Baureihe von Differenzdruckventilen, wobei sich in der Baureihe unterschiedliche Gruppen der Baureihe mit im Wesentlichen übereinstimmender Gestaltung entsprechend einem der Patentansprüche hauptsächlich dadurch unterscheiden, dass diese an unterschiedliche Betriebsbedingungen und/oder Einsatzzwecke dadurch angepasst sind, dass unterschiedliche Federelemente eingesetzt sind und/oder die Federelemente unterschiedlich vorgespannt sind.
Neben einer Regelung eines Differenzdruckes in einem Regelbereich um gleiche Drücke in den Kammern 21a, b können durch unterschiedliche Größen der Kolbenflächen 48a, b auch die Drücke im Bereich eines vorgegebenen Verhältnisses geregelt werden.

10: Differenzdruckventil
11: Gehäuse
12: Gehäuseteil
13: Gehäuseteil
14: Anschluss
15: Anschluss
16: Bohrung
17: Mittenebene
18: Längsachse
19: Sacklochbohrung
20: Grund
21: Kammer
23: Seitenschenkel
24: Seitenschenkel
25: Grundschenkel
26: Innengewinde
27: Verjüngung
28: Bohrung
29: Sacklochbohrung
30: Führungsstift
31: Kolben
32: Seitenschenkel
33: Seitenschenkel
34: Verbindungsschenkel
35: Stirnseite
36: Sacklochbohrung
37: Stirnseite
38: Grund
39: Spiralfeder
40: Nut
41: X-Dichtring
42: Mantelfläche
43: Spalt
44: weiterer Anschluss
45: Öffnungsfläche
46: Ausnehmung
47: Zentrierring
48: Kolbenfläche
49: Bohrung
50: Ringspalt
51: radiale Bohrung
52: Stirnfläche

Claims

Differenzdruckventil zur Überwachung einer Druckdifferenz zwischen einem von einem ersten Anschluss (14) bereitgestellten ersten Druck und einem von einem zweiten Anschluss (15) bereitgestellten zweiten Druck mit einem Kolben (31) mit einer ersten Kolbenfläche (48a), die mit dem ersten Druck beaufschlagt ist, und einer zweiten Kolbenfläche (48b), die gegenüberliegend zur ersten Kolbenfläche (48a) angeordnet ist und mit dem zweiten Druck beaufschlagt ist, wobei der Kolben (31) nach Maßgabe der Druckdifferenz des ersten Drucks und des zweiten Drucks in einer Bohrung (19) beweglich ist zwischen mindestens einer offenen Betriebsstellung, in der eine Verbindung geschaffen ist, in der eine Veränderung der Druckdifferenz herbeiführbar ist, und einer geschlossenen Betriebsstellung, in der die Verbindung unterbrochen ist.
Differenzdruckventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (14) und/oder dem zweiten Anschluss (15) sowie einem weiteren Anschluss (44) gebildet ist.
Differenzdruckventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (31) und/oder die den Kolben (31) aufnehmende Bohrung (19) elektropoliert ist/sind.
Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein die Kräfteverhältnisse an dem Kolben (31) beeinflussendes Federelement (Spiralfeder 39) vorgesehen ist.
Differenzdruckventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in entgegengesetzte Richtung wirkende Federelemente (Spiralfeder 39a. 39b) vorgesehen sind, die eine Neutralstellung des Kolbens (31) vorgeben.
Differenzdruckventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Einstellvorrichtung zur Verstellung eines Federfußpunkts eines Federelements (Spiralfeder 39a, 39b) vorgesehen ist.
Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mantelfläche (42) des Kolbens (31) und/oder der Bohrung (19) zur Aufnahme des Kolbens (31) aus Edelstahl hergestellt ist/sind.
Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten und/oder zweiten Anschluss (14, 15) und den weiteren Anschluss (44) zumindest ein Dichtelement zwischengeschaltet ist, mittels dessen in der zumindest einen schließenden Betriebsstellung des Kolbens (31) die Verbindung unterbrochen ist.
Differenzdruckventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement ein X-Dichtring (41) ist.
Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein stirnseitig auf den Kolben (31) wirkendes Führungselement vorgesehen ist.
Differenzdruckventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (31) zumindest eine stirnseitige Bohrung (36a, 36b) aufweist, in die unter Gewährleistung eines Verschiebe-Freiheitsgrads ein gehäusefester Führungsstift (30a, 30b) eingreift.
Differenzdruckventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Bohrung (36a, 36b) und der gehäusefeste Führungsstift (30a, 30b) einen Anschlag bilden, welcher die maximale Bewegung des Kolbens (31) in eine Stellrichtung begrenzt.
Differenzdruckventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Spiralfeder (39a, 39b) ausgebildet ist, durch die sich der Führungsstift (30a, 30b) erstreckt.
Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (31) eine gegenüber der Bohrung (19a, 19b) oder dem Dichtelement (X-Dichtring 41a, 41b) verjüngte Öffnungsfläche (45a, 45b) besitzt, welche für offene Betriebs stellungen die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss (14) oder dem zweiten Anschluss (15) und dem weiteren Anschluss (44a, 44b) öffnet.
Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (11) zweiteilig gebildet ist mit zwei symmetrisch zu einer Mittenebene (17) ausgebildeten Gehäuseteilen (12, 13).
Differenzdruckventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (12, 13) unter Einsatz eines Zentrierelements (Zentrierring 47) miteinander montiert werden.
Differenzdruckventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (14) mit einem Reservoir für Wasser verbunden ist und der zweite Anschluss (15) mit einem Reservoir für Kalilauge verbunden ist.